（植物学专业论文）高空环境诱发水稻半矮化突变体的生物学特性及赤霉素调控.pdf

华南师范大学硕士学位论文答辩合格证明 学位申请人：缝垫向本学位论文答辩季员会提交 题为玉隧盎盛幽堡毽蹙塑鱼鹭垫塑重壁堕鱼鲢撒论文， 经答辩委员会审议，本论文答辩合格，特此证明。 学位论文答辩委员会委员( 签名) 捕蕴! 亟蟛 委员：鼙 狮 超塑聋 论文指导老师( 签名) ： 沙莎年月7 日 范玉琴：高空环境诱发水稻半矮化突变体的生物学特性及赤霉素调控 a b b r e v i a t i o n g g p p 2 0 d d s g a l g a 3 g a 4 g a 7 g a s b 9 $ 3 3 0 7 b r b l a b a g g p s f p p g a _ p g p p c p p d m a p p i p p 【、，a h y z k s 缩略词表 f u i in a m e t r a n s - g e r a n y l g e r a n y l d i p h o s p h a t e 2 - o x o g l u t a r a t e - d e p e n d e n t d i o x y g e n a s e g i b b e r e l l i na 1 g i b b e r e l l i na 3 g i b b e r e l l i na 4 g i b b e r e l l i na 7 g i b b e r e l l i n s u n i c o n a z o l e b r a s s i n o s t e r o i d b r a s s i n o l i d e a b s c i s i ca c i d g e r a n y l g e r a n y l p y r o p h o s p h a t es y n t h a s e f a r n e s y lp y r o p h o s p h a t e g l y c e r a l d e h y d e - 3 - p h o s p h a t e g e r a n y lp y r o p h o s p h a t e e n t c o p a l y ld i p h o s p h a t e d i m e t h y l a l l y lp y r o p h o s p h a t e i s o p e n t e n y ld i p h o s p h a t e m e v a l o n i ca c i d h u i y a n g z h e n z h u z a o e n t - k a u r e n e s y n t h a s e 中文名称 牦牛儿牦牛儿焦磷酸 2 - o x o g l u t a r a t e - 依赖性双加 氧酶 赤霉素a 1 赤霉酸氏 赤霉素a 。 赤霉素a ， 赤霉素类 比久 烯效唑 油菜素类固醇 油菜素类酯 脱落酸 牦牛儿牦牛儿焦磷酸合酶 法呢焦磷酸 甘油醛3 磷酸 牦牛儿焦磷酸 内根一古巴焦磷酸 二甲基烯丙焦磷酸 异戊烯二磷酸 甲羟戊酸 惠阳珍珠早 内根一贝壳杉烯合成酶 堕至墨! 壹窒墅堡亟垄查塑兰堡垡窒壅堡塑生塑堂鳖堡星查墨茎塑笙 c p sc p p s y n t h a s e 内根古巴焦磷酸合成酶 k a o 口t - k a u r c n ea c i do x i d a s e内根一贝壳杉烯酸氧化酶 k o e n t - k a u r c n eo x i d a s c内根一贝壳杉烯氧化酶 g a l 3 0 xg a l 3 h y d m x y i a s c g a l 3 一羟化酶 g a 2 0 0 x g a 2 0 o x i d a s c g a 2 0 - 氧化酶 g a 3 0 xg a 3b h y & o x y l a s e g a 3b 一羟化酶 l r r r l k 富亮氨酸重复一类受体激 酶 范玉琴：高空环境诱发水稻半矮化突变体的生物学特性及赤霉素调控 摘要 本文以“惠阳珍珠早”经高空气球搭载、六代连续种植筛选获得的具有稳定 遗传性状的半矮化早熟水稻0 3 1 2 4 ) 为材料，对b 1 2 4 的生物学特性及其赤霉素 调控进行了初步研究。对成熟植株、7 天龄见光幼苗和3 天龄黄化幼苗进行观察、 测量。在此基础上用g a 3 及g a 生物合成抑制剂$ 3 3 0 7 处理实验材料。测定其 幼芽和黄化幼苗的g a 4 含量，并观察了3 天龄黄化幼苗的组织切片。主要结果 如下： 1b 1 2 4 盛花期早5 1 0 天，成熟期株高较矮，少1 个节间，少1 片叶，剑叶 稍短；穗粒数减少，主茎穗较短，百粒重无差异。突变体的节间分布模式符合 血型，而h y z 的节间分布模式与n 1 型相似。b 1 2 4 三天龄黄化幼苗的胚芽鞘和 根较短，中胚轴较长，7 天龄见光幼苗株高明显较矮。 2b 1 2 4 黄化幼苗中胚轴和根部位的可溶性蛋白含量较少，而胚芽鞘部位的较 多。 3 7 天龄幼苗的株高随着g a 3 ( 6 x 1 0 4 9 2 x 1 0 “m o l f l _ 。) 浓度的升高而伸长，可 恢复到野生型株高；外源g a 3 对3 天龄黄化幼苗的根长影响较大。 4 $ 3 3 0 7f 0 0 4m g l ) 对h y z 黄化幼苗胚芽鞘的抑制率为1 3 5 4 ，对b 1 - 2 4 胚 芽鞘长度无明显的影响；使b 1 2 4 中胚轴缩短1 5 8 9 ，对h y z 中胚轴无明显作 用。$ 3 3 0 7 使b 1 2 4 和h y z 黄化幼苗根长分别缩短1 6 9 4 和5 4 1 8 。对7 天 龄幼苗地上部分的抑制效果较好，其中对b 1 2 4 ( h y z ) 不完全叶、第一叶鞘、第 一叶片和株高的抑制率分别为2 1 5 8 ( 1 1 4 5 ) 、2 2 7 3 ( 1 2 7 3 ) 、1 1 0 5 ( 6 3 7 ) 和1 5 2 8 ( 1 0 3 4 ) ：对b 1 2 4 和h y z 根长的抑制率分别为1 4 2 4 和2 9 4 1 。 5 b 1 2 4 刚萌发幼芽和黄化幼苗中胚轴及胚芽鞘的内源g a 4 含量均低于h y z 。 6b 1 2 4 黄化幼苗中胚轴横切面细胞形状发生改变，大小无差异；纵切面细胞 面积增大约4 5 7 。胚芽鞘横切面细胞长和宽分别减小2 5 3 8 和2 2 7 4 ，细胞 面积减小约5 4 ：纵切面细胞长和宽分别减小约4 6 和8 1 ，细胞面积减小1 6 6 倍。 本文首次从生理生化角度来研究高空环境诱发的水稻半矮化突变体0 3 1 2 4 ) 翌兰量! 堕至墅些至垄查塑兰墅垡壅壅竺塑生塑兰壁丝墨查墨鲞塑丝 的黄化幼苗，发现其形态差异与其可溶性蛋白、内源活性g a 4 含量及细胞形状 和大小发生改变有关联。 关键词：水稻 半矮化突变体赤霉素高空环境生物学特性 2 范玉琴：高空环境诱发水稻半矮化突变体的生物学特性及赤霉素调控 a b s t r a c t t h eb i o c h a r a c t e r i s t i c sa n dg i b b e r e l l i nr e g u l a t i o no ft h es e m i d w a r fa n dp r e m a t u r e r i c em u t a n t ( b 1 2 4 ) w e r es t u d i e di nt h i st h e s i s i th a ss t a b i l i z e di n h e r i t a b l et r a i t sa n d w a sd e r i v e df r o mt h ev a r i e t yh u i y a n g z h e n z h u z a o ( h y z ) b yl o a d i n gi nh i g ha l t i t u d e b a l l o o na n dt h e nw a sp l a n t e da n ds e l e c t e d c o n t i n u a i l y f o r6 g e n e r a t i o n s t h e b i o c h a r a c t e r i s t i c so fm a t u r em u t a n t p l a n t s ，7 - d a y o l ds e e d l i n g st h a tw e r eg r o w n i n t i g h ta n d3 - d a y o l de t i o l a t e ds e e d l i n g sw e r ei n v e s t i g a t e d t h e n ，t h em u t a n ts e e d l i n g s w e r et r e a t e dw i t he x o g e n o u sg a 3a n di t s b i o s y n t h e t i ci n h i b i t o r s $ 3 3 0 7a n db 9 f u r t h e r m o r e ，t h ee n d o g e n o u sg a 4c o n t e n t so fb u d sa n de t i o l a t e ds e e d l i n g sa n d t i s s u es e c t i o n so f 3 一d a y - o l d e t i o l a t e ds e e d l i n g sw e r eo b s e r v e d t h em a i nr e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： 1b 1 2 4m u t a n tf l o w e r s5 l o d a y se a r l i e rt h a nh y z t h ef a c tt h a ti th a sl e s so f1 i n t e r n o d ea n d1l e a fa n das h o r t e rf l a gl e a fr e s u l t si ns l i g h td e c l i n eo fh e i g h to f t h em a t u r em u t a n t t h eg a i no fm a i ns p i k eo fb 1 - 2 4l e s s e n sa n dt h el e n g t ho f w h i c hs h o r t e n sw h i l et h e r ei sn o s i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nt h ew e i g h to f1 0 0g a i n s b e t w e e nt h e m t h ee l o n g a t i o np a t t e r n so fi n t e m o d e so fb 1 2 4a n du y za c c o r d w i t hd n - t y p ea n dn l - t y p e ，r e s p e c t i v e l y t h e 3 - d a y o l d e t i o l a t e ds e e d l i n g so f b 1 2 4w e r es h o r t e rb o t hi nc o l e o p t i l ea n dr o o t ，w h e r e a s e l o n g a t ei nm e s o c o t y l t h e h e i g h to f7 一d a y - o l ds e e d l i n g st h a tg r o w n i nl i g h td e c l i n e s d i s t i n c t l y 2s o l u b l ep r o t e i nc o n t e n t si nm e s o c o t y la n dr o o to fe t i o l a t e ds e e d l i n g so fb 1 2 4 w e r el e s st h a nt h a to f h y z i tw a sc o n t r a r yi nc o l e o p t i l e ，h o w e v e r 3w i t hi n c r e a s eo ft h e e x o g e n o u sg a 3c o n c e n t r a t e ( 6 1 0 4 - 9 2 l o n o v l ) ， h e i g h t so f7 - d a y - o l ds e e d l i n g se l o n g a t eu pt o t h a to fi t sw i l d t y p ep h e n o t y p e h o w e v e r ，t h ee f f e c t so f e x o g e n o u sg a 3 o nr o o to f 3 一d a y - o l de t i o l a t e ds e e d l i n g s w e r em u c hm o r et h a nt h a ti no t h e r p a r t so f i t 4i n h i b i t i o nr a t i oo f $ 3 3 0 7f 0 0 4t o g a _ ) o nt h el e n g t ho fc o l e x i p t i l ef r o mh y z e t i o l a t e ds e e d l i n gw a s1 3 5 4 ，w h i l et h ei n h i b i t i o ne f f e c t so nt h a to fb 1 2 4 e t i o l a t e d s e e d l i n gw e r en o to b v i o u s $ 3 3 0 7d e c r e a s et h el e n g t ho fm e s o c o t y l 3 范玉琴：高空环境诱发水稻半矮化突变体的生物学特性及赤霉素调控 f r o mb 1 2 4c t i o l a t c ds e e d l i n g b y1 5 8 9 0 6 0 ，w h i l et h ei n h i b i t i o ne f f e c t so nt h a to f h y z e t i o l a t e ds e e d l i n gw e r en o te v i d e n t t r e a t e dw i t h $ 3 3 0 7 ，t h er o o tl e n g t ho f b 1 2 4a n d h y z e t i o l a t e d s e e d l i n g s d e c r e a s e b y 1 6 9 4 a n d5 4 1 8 ， r e s p e c t i v e l y $ 3 3 0 7w a st h e b e t t e ri n h i b i t o rf o r 7 - d a y o l ds e e d l i n g s i n l i g h t i n h i b i t i o nr a t i oo nt h ei n c o m p l e t el e a f ，t h e1 “l e a fs h e a t ha n db l a d ea n dh e i g h t o f b 1 2 4 ( h y z ) i s2 1 5 8 ( 1 1 4 5 ) ，2 2 7 3 ( 1 2 7 3 ) ，1 1 0 5 ( 6 3 7 ) a n d 1 5 2 8 ( 1 0 3 4 ) ，r e s p e c t i v e l y a n di n h i b i t i o nr a t i oo l lr o o tl c n g t l lo f7 - d a y o l d s e e d l i n g s i s1 4 2 4 ( b 1 - 2 4 ) o r 2 9 4 1 ( h y z ) 5 e n d o g e n o u sg a 4 c o n t e n t so fb 1 - 2 4b u d ， m e s o c o t y la n dc o l e o p t i l ei ne t i o l a t e d s e e d l i n g w e r el e s st h a nt h a to f h y z 6c e l ls h a p eo ft h et r a n s v e r s es e c t i o n so f m e s o c o t y lf r o mb 1 - 2 4 e t i o l a t e ds e e d l i n g s h a sc h a n g e d ，b u tn o ti ns i z e c e l la r e ao f l o n g i t u d i n a ls e c t i o n si n c r e a s e sa b o u t 4 5 7 h o w e v e r ，c e l lo ft h et r a n s v e r s es e c t i o n so f c o l e o p t i l ed e c r e a s e d i nl e n g t h o rw i d t hb y2 5 3 8 o r2 2 7 4 ， r e s p e c t i v e l y ，w h i c hr e s u l t e di t s c e l la r e a d e c l i n ea b o u t5 4 f u r t h e r m o r e ，t h el e n g t ha n dw i d t ho fl o n g i t u d i n a ls e c t i o n c e l l sd e c r e a s e da b o u t4 6 a n d 8 1 ，r e s p e c t i v e l y s i m i l a r l y ，t h i s c a u s e di t sc e l l a r e ad e c l i n eb y1 6 6t i m e s t h i si st h ef i r s t s t u d ya b o u tt h ep h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o f e t i o l a t e ds e e d l i n go ft h es e m i - d w a r fr i c em u t a n tf b l 2 4 ) ，w h i c hw a s o f f g i n a t e df r o m h i g h - a l t i t u d e c o n d i t i o n t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nm o r p h o l o g i c a ld i f f e r e n c e sa n d p h y s i o l o g i c a l - b i o c h e m i c a l o rc y t o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha ss o l u b l e p r o t e i n a n d e n d o g e n o u so a 4 c o n t e n t ，t h e s h a p ea n d s i z eo f c e l l s ，w e r es h o w nh e r e k e yw o r d s ：r i c e ，s e m i - d w a r fm u t a n t ，g i b b e r e l l i n ，h i i g h a l t i t u d e c o n d i t i o n ， b i o c h a r a c t e r i s t i c 4 范玉琴：高空环境诱发水稻半矮化突变钵的生物学特性及赤霉素调控 文献综述 1 空间环境诱变简况 空间诱变育种主要是利用返地式卫星或高空气球将供试材料带上高空，利用 特异的空间物理环境条件使试验材料发生遗传变异，进而选育出农作物新品种， 此外，还可利用该变异品种对空间诱变机理进行探索。 空间诱变是近年发展起来的一门新兴科学，为了更好利用这一技术必须了解 其诱变机理、诱变规律。目前空间诱变机理研究主要是探讨空间诱变的成因以及 空间环境诱导的突变体遗传物质的变化。 2 0 世纪6 0 年代以来，国外主要把动物、植物和微生物置于卫星、飞船和航 天飞机中，以观察其变化。我国自1 9 8 6 年以来，在“8 6 3 计划”航天领域支持 下，就空间环境对植物种子的诱变效应进行了广泛的探索。至1 9 9 6 年，利用我 国的返地式卫星及高空科学气球已搭载了6 0 多种植物，5 0 0 多个品种的种子。 并对搭载材料当代及后代发生的生理变异及可遗传变异进行了一些研究( 李群和 顾瑞琦，1 9 9 6 ) 。 我国高空气球升空高度仅为2 0 一3 0 公里，仍在地球大气层之内，升空时间 少于2 4 小时，常常仅为几小时这种搭载条件与升空高度达2 0 0 - - 3 0 0 公里的卫 星搭载是不一样的，不仅在于时间( 卫星搭载时间一般长于1 周) 和高度，更在于 其环境。高空气球搭载飞行主要空间环境为银河宇宙线进入大气层与其中的原子 核碰撞而形成的次缎宇宙射线，这些次级成分有较强的辐射诱变作用，主要成分 为u 介子、电子、光予、质子、中予等，所搭载的材料不会处于微重力、高真空 等环境中( 叶宗海，1 9 8 6 ) 。近年来， 有部分研究者用分子标记方法对突变体进 行研究，并通过实验证明了突变体遗传物质发生了变化，还从不同角度指出了 空间搭载诱导的变异与空间辐射的关系。 2 植物激素在高等植物节问发育中的作用 植物的茎是由体节( 节和节间) 重复发育而来，体节则是由一个节、一个节问 与节相连的叶器官以及叶腋下的侧生分生组织构成的。研究发现，大多数植物矮 化是由于突变体体内赤霉素( g i b b e r e l l i n ) 和油菜索类固醇( b n 燃u b i s t e r o i d ) 生理代 谢或信号转导受到影响；还有一些是同源异型盒基因的异常表达所致。下面将分 5 范玉琴：高空环境诱发水稻半矮化突变体的生物学特性及赤霉素调控 别阐述。 2 1g a 在节间发育中的作用 2 1 1 高等植物中g a 的生物合成 赤霉素( g a ) 是存在于多种植物体内的一大类四环二萜类化合物，至今已发 现1 0 0 余种( r i c h a r d se ta l ，2 0 0 1 ) ，总称赤霉素类( g a s ) 。它能促进高等植物 的各种生长和发育过程，如诱导a 淀粉酶的形成、促进禾谷类种子的萌发、促 进节间和叶片伸长、促进茎的伸长和植株增高、促进花器官形成、促进孤雌生殖 和果实形成等( 严远鑫等，2 0 0 3 ) 。围绕着赤霉素的生物功能、作用机理及其植 物生长发育、基因表达调控这一核心问题，国际上众多学者对植物整个发育过 程中内源g a s 及其生物合成代谢途径进行了多方面的研究。 植物细胞内g a 合成前体- - g g p p 的形成途径有两条：甲羟戊酸( m v a ) 途径 和非甲羟戊酸途径。在细胞质线粒体，细胞溶质和内质网，g g p p 是通过甲羟 戊酸途径形成的。乙酰c o a 和乙酰乙酰c o a 经过两步反应形成m v a ，m v a 经过加磷酸基团反应和脱羧反应形成i p p ；后者可逆异构化形成二甲基烯丙焦 磷酸( d m a p p ) ，d m a p p 与一个i p p 分子头尾相连形成c 1 0 中间产物，牦牛儿 焦磷酸( g p p ) 。g p p 与另一个i p p 分子缩合为法呢焦磷酸( f p p ) ，f p p 进一步 与第3 个i p p 分子在牦牛儿牦牛儿焦磷酸合酶( g g 2 p s ) 的作用下缩合为c 2 0 - 中 间产物牦牛儿牦牛儿焦磷酸( g g p p ) ( 潘瑞炽，1 9 9 8 ；王金祥等，2 0 0 2 ) 。 形成g g p p 的非甲羟戊酸途径主要存在于质体中。在叶绿体，i p p 是由丙酮 酸在转酮酶的作用下，提供二碳单位给甘油醛_ 3 - 磷酸( g a p ) 形成1 脱氧d 木酮 糖一5 磷酸( 1 - d e o x y x y l u l o s e d - 5 一p h o s p h a t e ) ，再经分子重排形成i p p ( e i s e n r e i c h e t a l ，1 9 9 6 ) 。在叶绿体中形成的g g p p 进一步形成内根一古巴焦磷酸化p p ) ，c p p 再形成内根，贝壳杉烯并从叶绿体运出，在细胞溶质进一步形成o a ( t 金祥等， 2 0 0 2 ) 。 高等植物中活性g a s 如g a l 、g a 3 、g a j t 雕g a 7 形成和代谢的主要途径如图1 。 研究表明，从g g p p 形成g a l 2 i 醛的途径在所有植物中是一样的。在质体中，g g p p 在古巴焦磷酸合酶( c p s ) 催化下环化形成c p p ，后者在内根一贝壳杉烯合成酶( k s ) 催化下形成赤霉素的前体一四羟内根贝壳杉烯。在质体外膜，内根坝壳杉烯 被氧化而依次形成内根贝壳杉烯醇、内根贝壳杉烯醛、内根一贝壳杉烯酸、内根 6 范玉琴：高空环境诱发水稻半矮化突变体的生物学特性及赤霉素调控 7 a 坝壳杉烯酸和g a t 2 - 醛。这些反应由两个c y tp 4 5 0 依赖性单加氧酶 ( m o n o o x y g e n a s 0 根一贝壳杉烯氧化酶( 1 ( o ) 和内根- 贝壳杉烯酸氧化酶( k a o ) 催 化进行。该单加氧酶也催化g a l 2 醛c 7 位的进一步氧化而形成g a l 2 ，后者经1 3 羟基化作用转变为g a s 3 。g a s 3 g a l 2 是g a 生物合成后期途径的底物。在细胞溶 质中，g a s 3 g a l 2 合成有活性的g a l g a 4 的后期途径在可溶性2 o x o g l u t a r a t e 依赖 性双加氧酶( 2 0 d d 帕a 加o x 和g a 3 0 x 的催化下通过两条平行途径：早期1 3 羟基 化途径( g a l 2 在g a t 3 0 x 催化下转变蔓j g a s 3 ) 和非1 3 羟基化途径进行。第三个 2 0 d dg a # x 可经2b 羟基化作用钝化活性g a d g a 4 和它们的直接前体 g a 2 0 g a 9 。在g a 2 0 0 x 的氧化作用下，g a l 2 和g a s 3 分别转变为g a 9 和g a 2 0 。g a 9 和g a 2 0 在g a a o x 的作用下分别形成有活性的g a 4 和g a l 。在一些物种中，g a 9 和 g a 2 0 通过2 ，3 d i d e h y d r o g a s 和g a s 分别生成g a 7 和g a 3 ，这可能是g a 3 0 x 活性的 旁反应( s i d er e a c t i o n ) ( a l b o n e e t a t ，1 9 9 0 ；s p r a y d a l ，1 9 9 6 ) 。南瓜中有一个 双加氧酶g a 7 0 x ，这个酶除了具有单加氧酶7 _ 氧化酶的活性外，还能氧化g a l 2 醛形成g a l 2 ( l a r g e ，1 9 9 7 ) 。迄今，在其它物种中还没有发现这个双加氧酶( h e d d e n a n d p h i l l i p s ， 2 0 0 0 ) 。 妒3 妒5 妒 渤蚺懈婚嘲a 辨 悻- o h io a + l 舢婚嘴 e 靠l h ，帆l r 薯h )a a 4 i 氧h 图1 植物中赤霉素代谢的主要途径( s a k a m o t oe t a l ，2 0 0 4 ) f i g u r e 1p r i n c i p a lp a t h w a y so fg am e t a b o l i s mi np l a n t s ( s a k a m o t oe ta l ，2 0 0 4 ) 7 范玉琴：高空环境诱发水稻半矮化突变体的生物学特性及赤霉素调控 2 1 2 与g a 相关的矮化突变体 利用传统的生理生化手段和分子生物学方法，已在拟南芥、玉米、番茄、水 稻、大豆等植物中分离到多种与g a 相关的矮化突变体，根据其对外源g a 的敏感 性，将这些矮化突变体分为两类：g a 缺陷型矮化突变体和g a 不敏感型矮化突变 体。 2 1 2 1g a 缺陷型矮化突变体 已从不同的植物中克隆到编码g a7 个代谢酶p s 、k s 、k o 、k a o 、g a 2 0 0 x 、 g a 3 0 x 和g a 2 0 x ) 的基因，并分离出其相关的突变体( h e d d c n a n d p h i l l i p s ，2 0 0 01 。 这些突变体( 除了g a 2 0 x 酶发生突变的突变体外) 的一个典型表型是矮化且外旄 g a 可恢复其野生表型。g a 缺陷型矮化突变体成熟期的株高范围在野生型的1 0 和9 5 之间，叶色墨绿，叶片变短、变宽( s a k a m o t o e ta l ， 2 0 0 4 ) 。 拟南芥中，催化g a 合成早期反应的酶( c p s ， k s ，e k o ) 似乎由单拷贝 基因编码，这些位点发生突变会引起植株严重矮化( s u n 甜a l ，1 9 9 2 ；h e l l i w e l l a t a l ， 1 9 9 8 ；y a m a g u c h i e ta l ， 1 9 9 8 ) 。相反，催化后期反应的双加氧酶( g a 2 0 0 x 、 g a 3 0 x 和g a 2 0 x ) 各由一个小的多基因家族编码。由于g a 双加氧酶功能 r e d u n d a n c y ，因此4 f 6 秘2 炳j ( 侧0 和 蹦妇( 洲0 的无效突变表现为半矮化表型 ( h c d d e na n d p h i l l i p s ，2 0 0 0 ) 。 研究表明拟南芥矮化突变体突变发生在几个矮化咖j ，g a 2 ，g a 3 ) 和半矮化 ( g a 4 ，g a 5 ) 位点。根据这些突变体的生理生化实验结果推测，前4 种突变体分别 阻断了g a 生物合成中的g g p p c p p 、c p p 一内根贝壳杉烯、内根贝壳杉烯一 内根贝壳杉烯酸基g a 2 0 一g a l 的反应步骤，而g 口5 突变体阻断t g a 5 3 一g a 4 4 及 g a l 9 一g a 2 0 的反应步骤( h e l l i w e l l a ta l ， 1 9 9 8 ；t a l o n ，1 9 9 0 ) 。 s u n 等用基因组缩减法将从拟南芥中获得的一段位于g a l 位点的特异d n a 序列转a j e c o l i 中异源表达，表明该基因编码催化g a 生物合成途径中早期反应的 c p s ( s u n e ta l ，1 9 9 2 ；s u na n d k a m i y a ，1 9 9 4 ) 。拟南芥g a 缺陷突变传弘j 3 表 现为雄性不育( f o r s b e r g e ta l ， 1 9 9 9 ) 。 y a m g a g u c h i 等以西葫芦k s 的c d n a ( c m k s ) 为异源探针克隆得到拟南芥 g a 2 位点d n a 序列( a r k s ) ，对拟南芥g a 2 突变体的研究表明其编码g a 合成过 8 范玉琴：高空环境诱发水稻半矮化突变体的生物学特性及赤霉素调控 程中的内根一贝壳杉烯合成酶( y a m a g u c h i e t a l ，1 9 9 8 ；y a m g a g u c h ie t a l ，1 9 9 6 ) 。 拟南芥g a j 基因编码一个新的c y t p 4 5 0 单加氧酶( h e l l i w e l la t a l ， 1 9 9 8 ) 。 玉米d 眦( p 基因突变引起植株矮化。o w a r f 3 基因编码的也是一种g a 生物合成 中的c y t p 4 5 0 单加氧酶，与拟南芥g a 3 基因同源性较d x ( w i n k l e r a n d h e l e n t j a r i s ， 1 9 9 5 ) 。d a v i d s o n 等发现大豆矮化突变体腩是由于编码p s k 0 1 的基因日发生了 突变。l h 基因的编码产物p s k 0 1 也是一类c y t p 4 5 0 单加氧酶( d a v i d s o ne ta l ， 2 0 0 4 ) 。 c h i a n g 等通过e m s 诱变得到半矮化的拟南芥g a 4 一j 突变体，外施g a 可恢 复其野生型表型。利用t - d n a 插入突变法获得的2 个拟南芥半矮化突变体g a 4 2 和g a 4 一j 是等位的。序列分析结果表明，g a 4 基因可能编码一个g a 合成过程中 的g a 3 0 x ( c h i a n ge t a l ， 1 9 9 5 ) 。l t o h 等( 2 0 0 1 ) 克隆了水稻中的两个g a 3 0 x 基因 o s g a 3 0 x l 和o s g a 3 0 x 2 。o s g a 3 0 x l 定位于水稻第五染色体上。o s g a 3 0 x 2 与水稻 d 1 8 座位( 位于第一染色体上) 相关，将其定位于第一染色体短臂。水稻d 8 突变 体有三个等位基因。其中d 1 8 - 1 d l 矿和d l s - a d 是两个强等位基因，以8 - 咖是一 个弱等位基因。强等位基因引起严重的矮化表型，而弱等位基因产生半矮化表型。 对d 1 8 - d y 进行的生理生化研究表明该突变体从g a 2 0 到g a l 的代谢受到影响，幼 苗体内缺少g a l ，积累g a 2 0 ，外旌g a l 可恢复其野生型表型，因此认为d 1 8 基 因编码一个g a 3 0 x ( i t o h e ta l ， 2 0 0 1 ) 。外施g a l 可恢复玉米棚突变体的野生表 型( s a l a m i n i ，2 0 0 3 ) 。该突变体g a 2 0 到g a l 的代谢速率减小。推测d 1 基因编 码控制这一步骤的3 b 羟化酶。豌豆的l e 基因编码一个g a 3 0 x ，g a l 可恢复如 突变体的野生型表型( m a r t i n 甜a l ，1 9 9 7 ) 。 拟南芥g a s 位点与一个g a 2 0 0 x 基因紧密连锁，g a s 由于在8 1 6 位发生了g a 的点突变，从而引入了一个提前的终止密码子，使g a 2 0 l a x 基因丧失了表达 产物的功能( x ue t a l ，1 9 9 5 ) 。水稻中被誉为“绿色革命”基因的s d - 1 位点也是 一个编码g a m o x 的基因( o s 2 0 0 x 2 ) 。研究发现，来源于籼稻半矮杆品种d o o g a r a 的s d 1 位点在编码区发生了一个2 8 0 b p 的缺失，而来源于粳稻半矮杆品系 c a l r o s e 7 6 的s d 1 位点则在7 9 8 位发生了一个c t 的点突变( 导致编码的蛋白 质2 6 6 位保守的l e u 残基转变为p h e 残基) ，两者的突变均导致了g a 2 0 0 x 基因 的缺陷( s p i e l m e y e e ta l ，2 0 0 2 ) 。c o l e s 等( 1 9 9 9 ) 将拟南芥g a s 的正、反义基因转 9 范玉琴：高空环境诱发水稻半矮化突变体的生物学特性及赤霉素调控 化拟南芥，获得了徒长的和矮化的拟南芥。严远鑫等( 2 0 0 3 ) 从水稻“矮子占”和 “南特号”的基因组d n a 中分离出g a 2 0 0 x 基因r g a 5 。其编码蛋白与已报道的 水稻赤霉素2 0 氧化酶基因o s g a z ! o o x 相比有1 1 个氨基酸不同，其中9 个氨基酸 为移码差异。将该基因的正、反义表达质粒p s r g a 5 和p a r g a 5 转化水稻“中花8 号”，获得了生物学性状有明显变异的转基因植物，正义转化增强其体内g a 的 合成，g a 。含量增加约5 0 ，表现为植株增高、叶片和穗变长、穗粒数增加等 特征。反义转化则抑制了内源g a 的合成，导致植株明显矮化，剑叶长和穗长也 相应的缩短。 2 1 2 2g a 不敏感型矮化突变体 目前已在拟南芥、玉米、水稻、小麦、大麦、燕麦等植物中发现g a 不敏感 型矮化突变体。研究g a 不敏感型矮化突变体有助于人们了解植物g a 的信号接 收和传递。 对相关突变体的研究，已经鉴定出g a 信号转导途径中的一些基因。g r a s 家族中的d e l l a 亚家族在g a 信号转导的负向调控中起重要的作用。d e l l a 亚家族成员含有独特的d e l l a 区域，是植物中g a 反应的高度保守的负调节予 f o l s z e w s k ie ta l ， 2 0 0 2 ) 。该基因家族的o r t h o l o g s 包括拟南芥的g a i 和r g a ，水 稻s l e n d e r r i c e i ( o s s l r l ) ，大麦s l e n d e r l ( h v s l n l ) ，玉米粥和小麦r e d u c e d h e i g h t 基因( 砌卜口j 和r h t - o l xo l s z e w s k ie ta l ，2 0 0 2 ；w i n l d e ra n df r e e l i n g ， 1 9 9 4 ；k o o m n e e f e ta l ， 1 9 8 5 ) 。在这些基因家族中功能获得( g a i n o f - f u n c t i o n ) 的 突变引起矮化，对g a 的敏感性下降，并且功能缺失突变使节间伸长，阻抗g a 生物合成抑制剂( p e n g e t a l ，1 9 9 9 ) 。 在水稻和大麦中只有一个单一的d e l l a 基因，而拟南芥中却有5 个该基因 家族的h o m o l o g s ，包括g a ( g a - i n s e n s i t i v e ) ，r g a ( r e p r e s s o r o fg a l 3 ) ， r g l l ( r o a - l i k e ) ，r g l 2 和r g l 3 ( i k e a a e ta l ，2 0 0 1 ) 。g a 和r g a 高度同源， 功能冗余并负向调节茎伸长、叶片展开和诱导开花( d i l l a n d s u n ，2 0 0 1 ) 。r g l l 是萌发、茎伸长、叶片展开、开花和花发育的负调节子( i k e d a e ta l ，2 0 0 1 ) 。r g l 2 是种子萌发的负调节子，在休眠种子吸水过程中其转录水平瞬间增加( l e e e ta l ， 2 0 0 2 1 。拟南芥g a i 为半显性g a 不敏感型矮化突变体，它对g a 3 的敏感性降 范玉琴：高空环境诱发水稻半矮化突变体的生物学特性及赤霉素调控 低。研究表明，正常植株内源g a 水平因g a 介导负反馈调控而处于内环境稳定 状态( c h a n d l e r e ta l ，2 0 0 2 ) 。作为这一调控过程的一部分，大量编码g a 生物合 成的酶基因表达受g a 下游调控( w e na n dc h a n g ，2 0 0 2 ) 。g a i 突变体中这种下游 调控受到干扰，使其体内g a 水平较高，说明g a i 蛋白参与g a 水平内环境稳 定的调控( e e n g e ta l ，1 9 9 7 ) ， 被誉为“绿色革命”的小麦因对赤霉素应答异常而表现为矮化。这种对g a 应答减弱是由矮化突变体鼬“玎和r h t - d 1 位点的等位基因之一引起的( b 6 r n e r e t a l ， 1 9 9 6 ) 。如i 培等( 1 9 9 6 ) 的研究结果表明r h t - b 1 r h t - d 1 和玉米d w a r f - s ( d 8 ) 都是 拟南芥赤霉紊不敏感( 6 a t ) 基 f l 自o r t h o l o g u e s 。 水稻d w a 班 f ) 突变体对外源g a 不敏感，表现为矮化、叶宽且呈墨绿色和 花序紧密等。d w a r f l 基因已通过图谱克隆法克隆出来。连锁分析揭示编码g t i 结合蛋白a 贬基的c d n a 序列与d i 共分离。研究表明，水稻d w a r f l 基因( 这些 基因与植物的高矮密切